圓盤耙片偏角對秸稈與土壤混埋效果的影響

王瑩 李光 劉鴻雁 王華澤 張沖

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130021)

引言

球面圓盤耙片作為優質的機械化保護性耕作主要采用關鍵部件,具有松碎閥土、平整地表、切斷秸稈、粉碎根茬、混和作物殘茬與土壤等作用[1-3]。在秸稈全量覆蓋還田的條件下,圓盤耙片通過大馬力拖拉機的牽引能夠實現高速混埋作業。這種作業方式的技術實質是利用圓盤耙片的切斷和混埋功能實現秸稈殘茬部分覆蓋地表,部分混埋耕層里,以達到減少風蝕水蝕,加速秸稈腐爛,增加土壤有機質,培肥地力的目的[4,5]。耙片偏角作為重要的結構參數之一,對圓盤耙整機作業效果有著顯著影響,本文設計了具有偏角調節功能的圓盤耙片連接部件,通過研究耙片偏角對秸稈與土壤混埋效果的影響,為圓盤耙聯合作業機的整機設計提供數據參考。

1 耙片選型

耙片分為無缺口和缺口耙片2 種,如圖1 所示。無缺口的耙片制造簡單、磨刃方便。缺口耙片在耙片外緣有6～12 個三角形、梯形或半圓形的缺口,耙片凸面周邊磨刃,缺口部位也磨刃,由于缺口耙片減小了周緣的接地面積,因而入土、切碎土塊、切斷秸稈和殘茬的能力較強[6]。因此選用缺口耙片進行秸稈與土壤混埋試驗。

2 連接部件的選型

傳統的耙片連接方式是用通軸成串連接,并采用米字型對置或偏置排列,耙片偏角統一調節,沒有傾角。近些年從國外引進的先進圓盤耙聯合整地機多采用的是獨立圓盤耙單體與機架進行連接,獨立圓盤耙單體自帶偏角和傾角,不可調節,可平行排列安裝,占用空間小,安裝維修方便,仿行效果好。圓盤耙單體連接方式按結構和緩沖方式大體分為3 種,如圖2所示,橡膠柱式、C 型彈簧式、螺旋彈簧式。其中,橡膠柱式利用橡膠柱來實現耙片組與機架總成之間的撓性連接,具有結構簡單、安全效果好的特點；C 型彈簧式中采用的C 型板簧具有獨立仿形、緩沖、減震作用,結構合理、堅固耐用等特點；螺旋彈簧式采用張力大的螺旋柱狀彈簧,能夠保持作業工作深度一致性,使用壽命比其它連接方式長,獨特的曲柄結構使得機架離地距離比較大,整機通過性好。綜合3 種連接方式的特點選取螺旋彈簧式連接形式的部件,但已有螺旋彈簧式連接部件不具備偏角調節功能,需要改機設計才能滿足試驗要求。

3 連接部件改進設計

連接部件的改進設計在兼顧仿形、偏角調節、連接強度的同時,還要滿足結構簡單、安裝方便等特點,新設計的耙片連接機構如圖3 所示。這個機構使圓盤耙片連接部件實現了獨立仿形,具有固定傾角,偏角可調節等功能。

改進設計的連接部件偏角調節的過程是利用調節塊內五邊形與旋轉軸外五邊形臺肩形成固定配合,通過調整調節塊外側五邊形5 個接觸面分別與上支臂桿內側立面形角度配合,調節范圍為5°、10°、15°、20°、25°,如圖4 所示。組裝在試驗機架上的連接部件,如圖5 所示。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗時間為2019 年10 月16 號,地點為吉林省農安縣開安鎮,動力為美國凱斯拖拉機2104,試驗樣機采用直徑為621mm 的耙片(選購于江蘇鹽城鐵桿子機械制造有限公司),試驗樣機作業速度為8km·h-1,作業深度為15mm,作業幅寬為2.4m,機收粉碎后秸稈長度小于20cm 占85%以上,秸稈覆蓋率為93.2%,土壤含水率21.3%,土壤堅實度634kPa,如圖6 所示。

4.2 試驗指標值

圓盤耙片作業時同時完成整地作業和秸稈混埋作業。參照保護性耕作機械-圓盤耙(GB/T 24675.4-2009)[7],確定整地作業效果指標為耕深合格率、碎土率、耕后地表平整度、耕后溝底平整度和滅茬率；衡量秸稈混埋作業效果的指標值確定為秸稈覆蓋率、秸稈混埋深度和地表秸稈均勻度。

4.3 試驗方法

試驗過程中每個試驗項目進行3 次,每次作業長度為50m,通過運動相機Gopro 及試驗人員的觀察對圓盤耙作業效果進行判定,并對整地效果和秸稈混埋效果關鍵技術指標進行測定。整地指標參考測定方法GB/T 24675.4-2009,秸稈混埋作業效果指標測定沒有標準可供參考方法,制定方法:地表秸稈覆蓋率采用數點法進行測定,每次測定總數為120 個,每組進行3 次測量,刪除不合理數據后取均值；秸稈混埋深度測定先用兵工鏟挖出土層剖面,然后用鋼板尺對混埋深度進行測量,每組測量需進行5 次,取平均值；地表秸稈均勻度由科研人員對作業情況進行定性觀察、分析探討,確定秸稈均勻度的分值。地表秸稈均勻度可分為1～4 分:1 分表示出現秸稈歸行現象,秸稈與土壤沒有混合,秸稈堆積在土壤上,呈現條帶分布；2 分表示出現秸稈成片堆積現象,仍有秸稈與土壤混合；3 分表示地表秸稈與土壤混合較為充分,但偶爾出現有秸稈堆積現象；4 分表示地表秸稈與土壤混合十分均勻,沒有出現秸稈堆積、歸行現象。

5 結果與分析

通過試驗得到不同圓盤耙偏角作業后的技術指標,結果見表1。

由表1 數據可知,隨著耙片偏角的增大,地表秸稈覆蓋率減少明顯,秸稈混埋深度增加顯著,地表秸稈均勻度有所提高,分析產生原因為耙片偏角越大,有利于耙片入土,混埋深度增大,從而導致混埋到耕層里的秸稈量增多,地表秸稈量減少,使得秸稈土壤翻埋效果增強,加大了混合中土量的占比,使得秸稈與土壤充分混合,耕后地表秸稈分布均勻度提高,混埋到土壤中的秸稈也越均勻；隨著耙片偏角增大,耕后地表平整度標準差和溝底平整度的標準差減小,耕深合格率、碎土率和滅茬率增高,說明偏角越大,單位幅寬內土壤擾動率越大,土垡和殘茬在2 排耙片的切割和翻拋作用下激勵碰撞,導致滅茬和碎土等綜合效果明顯增強；在試驗可選范圍內α=25°混埋的綜合效果最好。

表1 圓盤耙偏角試驗

6 結論

通過耙片偏角對機具作業效果進行試驗性研究,結果表明,在試驗范圍內耙片偏角的增大可以提高機具整地作業效果和秸稈混埋效果；得出可以實現最佳試驗作業效果偏角角度為25°,這些數據為整機的定型設計提供技術支持。